1 Astro nomija i astro fizika Teleskopi i detektori Tomislav Jurkić Department of Physics University of Rijeka, Croatia
1
Astronomija i astrofizikaTeleskopi i detektori
Tomislav JurkićDepartment of Physics
University of Rijeka, Croatia
2
Teleskopi
1. Refraktori (objektiv je leća)
2. Reflektori (objektiv je ogledalo)
3. Katadioptri (kombinacija leća i ogledala)
1608. Nizozemska – Hans Lippershey &
Zacharias Janssen (Middelburg), Jacob
Metius (Alkmaar) – refraktor
Teleskop, grč., ‘tele’ – daleko,
‘skopein’ – vidjeti -> Giovanni
Demisiani 1611.
Galileo Galilei:-Heliocentrički sustav
-Krateri na Mjesecu
-Mliječni put
-Faze Venere-Sunčeve pjege
-Jupiterovi sateliti
Teleskop, grč., ‘tele’ – daleko,
‘skopein’ – vidjeti -> Giovanni
Demisiani 1611.
1668. V. Britanija – Isaac Newton –
reflektor
1733. – akromatska leća
1857. – posrebrivanje ogledala
1937. – aluminizacija ogledala
KEPLEROV (ASTRONOMSKI) TELESKOP
l = fo + fe
Objektiv – konveksna leća
Okular – konveksna leća
Obrnuta slika
Veliko vidno polje
Dobar kontrast
Kromatska i sferna aberacija – zahtjeva veliki f-omjer
3
KEPLEROV (ASTRONOMSKI) TELESKOPYERKES (102 cm)
LICK Obs. (91 cm)GALILEJEV TELESKOP
l = fo - fe
Objektiv – konveksna leća
Okular – konkavna leća
Uspravna slika
Malo vidno polje
Slab kontrast
Kromatska i sferna aberacija – zahtjeva veliki f-omjer
4
ReflektorObjektiv je OGLEDALO, a okular je LEĆA
NEWTONOV TELESKOP
Reflektor
Nema kromatske aberacije (nema leća)
Sferna aberacija – parabolično zrcalo
Mali f-omjer – kompaktan, kratki teleskop
Veliko vidno polje
Objektiv je OGLEDALO, a okular je LEĆA
NEWTONOV TELESKOP
Kutno povećanje
y’ = F tan α
y’ = F α
-Veličina slike y’ je konačna za mali kut α ako je F
objektiva dovoljno velik
-Slika je veća ukoliko je F objektiva veći –
ograničenje na povećanje i razlučivanje
Kutno povećanje refraktora
-Povećanje vidnog kuta M = / = fobjektiv/fokular
- M od 200-300 je maksimalan, više nema smisla zbog seeinga
- Povećanje ima smisla samo za proširene, razlučene objekte
- Povećanje raste kada raste žarišna duljina objektiva fobjektiv
- Povećanjem žarišne duljina fobjektiv smanjuje se svjetlosna moć J
teleskopa, što se kompenzira povećanjem otvora objektiva D
- Povećanje otvora objektiva je ograničeno tehničkim problemima
(deformacija leće uslijed težine, leća mora biti savršeno brušena s
preciznošću reda /20
5
Kutno povećanje
y’ = F tan α
y’ = F α
-Veličina slike y’ je konačna za mali kut α ako je F
objektiva dovoljno velik
-Slika je veća ukoliko je F objektiva veći –
ograničenje na povećanje i razlučivanje
Vidno polje
- Vidno polje – određeno promjerom objektiva i
žarišnom duljinom
- Izlazna pupila je veličine zjenice oka (7-8 mm)
Svjetlosna moć teleskopa
- Svjetlosna moć teleskopa – iluminacija J (mjera za prihvaćenu
zračenu energiju) → količina svjetlosne energije u sekundi koja je
fokusirana na jediničnu površinu slike
- veći promjer objektiva (D) → veće razlučivanje, veća iluminacija
(svjetlosna moć)
- veća žarišna duljina f → veća slika, manja svjetlosna moć
(iluminacija)
- za F = const. porastom otvora objektiva (D) pada žarišna
udaljenost f → J = const.
Ozračenost detektora
- JD → ozračenost detektora
- → količina svjetlosne energije koja u sekundi upadne na
površinu detektora
- Adetektor → površina detektora (okomito postavljena na optičku
os)
- JD karakterističan za zvijezdu i isti svuda na Zemlji
- Mijenja se = Adetektor JD, količina svjetlosne energije raste
ako površina detektora Adetektor raste
Radijancija (ozračenost) slike
- Aslike → površina slike
- d → prostorni kut protegnut od slike prema objektivu
6
Moć razlučivanja
KONSTRUKTIVNA DESTRUKTIVNA
INTERFERENCIJA INTERFERENCIJA
Moć razlučivanja
-Razlučivanje ne ovisi isključivo o povećanju – veličini
slike, odnosno žarišnoj duljini objektiva F
-Razlučivanje je ograničeno ogibom zraka svjetlosti na
objektivu teleskopa
Difrakcija na kružnom otvoru
teleskopa
Airyjev disk – George Airy
(1835.)
7
Moć razlučivanja
Rayleighev kriterij
Seeing
Ograničenje na kutno razlučivanje:
1. Promjer otvora objektiva → veći otvor objektiva D, veće
razlučivanje
2. Seeing
Turbulentna gibanja u Zemljinoj atmosferi – lokalne
promjene u temperaturi različitih slojeva atmosfere uzrokuju
promjene gustoće, gibanje masa različitih temperatura
također mijenja gustoću
Promjena gustoće slojeva u atmosferi djeluje poput leće s
različitim indeksima loma
Promjene gustoće su nasumične, pa tako i promjene
indeksa loma → rezultat je razmazana, nejasna slika
Seeing
Turbulentna priroda atmosfere uzrokuje slabije razlučivanje i
lošiju slike bez obzira na veličinu i kvalitetu teleskopa
Seeing – kvaliteta slike zvjezdanog točkastog izvora na
određenoj lokaciji u određeno vrijeme
Najbolje lokacije – suha klima, bez vlage u zraku, velika
visina
1. Havaji (5000 m n.v.) – Mauna Kea – razlučivanje reda
0.5’’ do 0.6’’ u 50% vremena, maksimalno 0.25’’
2. Čile – VLT, Cerro Tololo Inter-American Observatory
3. Arizona – Kitt Peak National OBservatory
Seeing
Havaji (5000 m n.v.) – Mauna Kea – razlučivanje reda 0.5’’
do 0.6’’ u 50% vremena, maksimalno 0.25’’
8
Seeing
Čile – VLT, Cerro Tololo Inter-American Observatory
Seeing
Arizona – Kitt Peak National OBservatory
Sferna aberacija Sferne površine: i ogledala i leće!
Monokromatski karakter
Zrake paralelne s optičkom osi ali na različitim udaljenostima od nje,
različito se lome/reflektiraju i nemaju zajednički fokus!
Slika je zamućena
Sferna aberacija
Korekcija:
Sferni dublet – korištenje dviju leća (bikonveksna + plankonkavna
leća) izrađene od različitih materijala
Sferne leće – minimizacija aberacije odabirom najpovoljnije
zakrivljenosti sferne površine
9
Kromatska aberacija
Indeks loma stakla funkcija je valne duljine: n = f ()
Svjetlost različitih valnih duljina ima različite indekse loma, pa
se stoga i različito lomi kroz staklo
Svjetlost različitih valnih duljina zbog ovisnosti indeksa loma o
valnoj duljini fokusirat će se u različitim točkama
Kromatska aberacija ovisit će o disperziji stakla – vrsta stakla je
važna!
Kromatska aberacija je prisutna samo kod leća, ne i kod zrcala!
Kromatska aberacija
Korekcija:
Koristi se teleskop reflektor umjesto refraktor
Akromatski dublet leća – dvije leće različitih indeksa loma
‘spojene’ u dublet
Apokromatske leće – složen sustav od više akromatskih leća
Difrakcijski optički elementi – komplementarne disperzijske
karakteristike lećama
Kromatska aberacija Koma Vrsta aberacije uzrokovana nesavršenošću leća i/ili optičkog
sustava
Javlja se kod paraboličnih zrcala
Kada je zrake svjetlosti s izvora padaju na leću/zrcalo pod nekim
kutem (van optičke osi), različiti dijelovi leće/zrcala imaju različit
fokus te fokusiraju predmet u različitim točkama
Javlja se distorzija
slike predmeta u obliku
kome
Što je izvor više van
osi, efekt je izraženiji
iako je fokus u optičkoj
osi savršen
10
Koma
Korekcija:
Korektivne ploće – Schmidt
optički sustav
Površina leća se tako oblikuje da
korigira komu
Aplanatske leće/zrcala –
eliminarana koma i sferna aberacija
Astigmatizam
Optički sustav ima dvije međusobno okomite ravnine –
tangencijalnu i radijalnu
Realne leće imaju različitu zakrivljenost u različitim
smjerovima-optičkim ravninama
Položaj fokusa u tangencijalnoj i radijalnoj optičkoj ravnini
je različit-slika je deformirana
Astigmatizam Distorzija
Nije uzrokovana nesavršenošću leće, već konačnim
dimenzijama/debljinom i geometrijom leće
debela bikonveksna leća zbog geometrije površine
uzrokuje distorziju slike
Korekcija:
Simetrični dubleti (ortoskopski dublet)
11
Distorzija Zakrivljenost polja
Zakrivljenost polja uzrokuje da slika planarnog objekta
postane zakrivljena
Uzrok je u većoj svjetlosnoj moći za zrake koje padaju na
leću pod velikim kutem žarišne duljine
Takve zrake koje padaju pod većim kutem vide leću
manjeg promjera i veće svjetlosne snage, zbog čega slika
nastaje van osi bliže leći
NEWTONPRIMARNI
FOKUS
CASSEGRAIN COUDE
12
Katadioptri
Sferne površine
Veliki fokusi i f-omjeri,
kompaktni dizajn
Kontrola aberacije (koma,
sferna aberacija i
astigmatizam)
OGLEDALO + LEĆE
SCHMIDT-
CASSEGRAIN
MAKSUTOV-CASSEGRAIN
Arecibo Observatory – Puerto Rico
Radio astronomija
Centaurus A
Radio astronomija
Cygnus A
Radio astronomija
13
Radio interferometrija
VLA – Very Large Array – New Mexico, USA
Radio astronomija
ALMA – Atacama Large Milimeter/Submilimeter
Array – pustinja Atacama, Chile
Radio astronomijaCARMA – Cedar Flat, Sierra Nevada, SAD
Radio astronomija
LOFAR – Low Frequency
Array – Evropa
14
Aktivna optikaWilliam Herchel Telescope – La Palma, Španjolska
Aktivna optika
Aktivna optika
15
Infracrvena astronomija
IRAS – Infrared
Astronomical Satelite(1983)
12-100 mikrona
0.6 m teleskop
Hlađen helijem
Infrared Space
Observatory -
ISO (1995)
0.6m teleskop
1000 puta osjetljiviji
Infracrvena astronomija
Spitzer Space Telescope(2003)
3-180 mikrona
0.85 m teleskop, f/12
Kozmičko pozadinsko zračenje (2.7 K)
COBE – Cosmic Background
Explorer (1989)
WMAP – Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe(2001)
Planck - ESA (2009)
16
Kozmičko pozadinsko zračenje Ultraljubičasto područje
IUE – International
Ultraviolet Explorer (1978-1996)
Extreme Ultraviolet Explorer(1992-2000)
7-76 nm
Rengenska (X-ray) astronomija
UHURU (SAS 1) (1970)
Einstein Observatory (1970-ih)
Izvori gama i X zraka
ROSAT (Roentgen Satellite)(1990-1999)
0.51-12.4 nm
vruće korone zvijezda
ostaci supernova, kvazari
Chandra X-ray Observatory (1999)
0.1-6.2 nm (0.2-10 keV)
0.5'' rezolucija
17
Rengenska (X-ray) astronomija
XMM Newton – X-ray Multi-
Mirror Newton Observatory(1999)
ESA
0.01-1.2 nm
Gama astronomija
Fermi Gamma-ray Space
Telescope (2009)
NASA+Francuska, Italija,
Njemačka, Japan, Švedska
LAT (Large Area Telescope) – 30
MeV-300 GeV
GBM (Gamma-ray Burst Monitor)
– 8 keV-30 MeV
Compton Gamma Ray
Observatory (CGRO) (1991)
NASA
EGRET – 20 MeV-30 GeV
COMPTEL – 0.75-30 MeV
OSSE – 0.05-10 MeV
BATSE – 20 keV-2 MeV
Gama astronomija
MAGIC La Palma, Kanarski otoci
Cherenkov Telescope
Array
18
2MASS – 2 Microns
All Sky Survey
Veliki pregledi neba
SDSS – Sloan Digital Sky Survey
LSST – Large Synoptic
Survey Telescope
Veliki pregledi neba
Gaia – Evropski konzorcij
Hubble Space Telescope
2.4 m teleskop; f/24
/50 preciznost
Ritchey-Cretien (hiperboličko primarno zrcalo
Detektori:
UV do blisko-IR (120 nm – 1 mm)
Hubble Space Telescope• Faint Object Camera (FOC)
• Faint Object Spectrograph
• Goddard High Resolution Spectrograph
• COSTAR (Corrective Optics)
• Wide Field & Planetary Camera (WF/PC 2)
• Advanced Camera for Surveys
• Near-Infrared Camera (NICMOS)
19
Detektori
1. Fotografske ploče (više se ne koriste)
2. Fotometri - fotomultiplikatori
Detektori3. CCD – Charge-coupled device
Kvantna efikasnost: 60-90%
(ljudsko oko 1%, fotoploća 2-5%)
Linearni odziv: meke X-zrake do IR
HST detektori:
Wide field and planetary camera
(WF/PC 2):4 CCD kamere 800x800 px
(2.5 Mpx)
20
DetektoriHST detektori:
Wide field and planetary
camera (WF/PC 2):4 CCD kamere 800x800 px
(2.5 Mpx)
Advanced camera for surveys
(ACS):
4144x4136 px (17 Mpx)
Detektori
LSST kamera
16 Mpx ploče
Ukupno 3.2 Gpx2800 kg
4. CMOS
(Complementary metal-
oxide semiconductor)